ГЛАВА 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛИЗОВАННОГО СДВИГА ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ
2.1. Методика испытаний на ударное сжатие
Как уже отмечалось в обзоре литературы, ни одна из существующих на сегодняшний день экспериментальных методик не может дать возможность детально проследить особенности развития локализованного сдвига.
Вследствие этого основные результаты об особенностях инициирования и распространения ПС были получены с помощью численного моделирования.
Однако увеличение скорости деформации приводит к изменению свойств металлов. Например, общеизвестно, что у большинства металлов [1, 21, 22, 106, 121, 122] сопротивление деформированию значительно возрастает с увеличением скорости деформации. Возрастание особенно существенно при скоростях деформации выше 103 с-1.
В частности, влияние скорости деформации при высокоскоростных процессах упругопластического течения металлов часто характеризуют коэффициентом вязкости µ, который является коэффициентом пропорциональности между приращением скорости деформации и составляющей сопротивления течения материала [1]:
(2.1)
На рис. 2.1 нанесены экспериментальные значения коэффициентов вязкости алюминия (а) и стали (б) приведенные в [104] для различных скоростей деформации. Полученные кривые µ=µ(?') обнаруживают тенденцию уменьшения вязкости с ростом скорости деформации. При ?'>104 с-1 вязкость исследуемых металлов, особенно алюминия, слабо зависит от скорости деформации.
Рис. 2.1. Коэффициент вязкости алюминия (а) и стали (б) при различных скоростях деформации: 1 - прокатка с подогревом до 1000 оС; 2 - испытания на копре; 3 - сварка взрывом; 4 - струеобразование; 5 - штамповка, Т=1000 оС;
6 - малые возмущения на фронте ударных волн.
В настоящее время получены также экспериментальные данные о вязкости меди, титана, свинца и некоторых других металлов.
Имеющиеся в литературе данные о коэффициенте вязкости для различных металлов (особенно это касается металлов с ГЦК-решеткой) отличатся большим разбросом значений даже при одинаковых скоростях деформации (на порядок и более). Например, для алюминия µ=3•10 .. 4•104 Па•с [1, 104-108], для меди µ=1.0 [109] .. 2•10 Па•с [110], для сталей разброс значений достигает двух порядков µ=103 .. 105 Па•с [1, 104, 106, 110-112]. Авторы [107, 113] связывают вышеописанный эффект с масштабом рассматриваемого явления и выделяют два характерных уровня: микроскопический (10-7 .. 10-6 м) и макроскопический уровень (10-5 .. 10-3 м). Однако даже при рассмотрении одного масштабного уровня разброс значений коэффициента вязкости довольно существенный. Например, для стали при скорости деформации ?'=104 .. 5•104 с-1 µ=2.1•103 Па•с [1] и µ?4•105 Па•с [104].
Поэтому в настоящее время, вследствие недостаточного объема существующих экспериментальных данных, необходимы дополнительные экспериментальные исследования по определению свойств различных материалов в широком диапазоне скорости деформации. Более того, в обзоре [113] особо подчеркивается необходимость получения экспериментальных данных с помощью различных методик с дальнейшим их сравнением.
Поэтому с целью получения дополнительных данных о свойствах, особенностях деформирования и разрушения конструкционных металлов проведены эксперименты по ударному сжатию тонколистовых образцов.
Данная методика позволяет изучать влияние скорости деформации в диапазоне 104 .. 2.5·105 с-1 на предел текучести, а следовательно и вязкость металлических материалов.
Кроме того, проведение данных экспериментов позволяет получить новые и дополнить имеющиеся данные об особенностях формирования ПС в различных металлах.
2.1.1. Выбор материалов для испытаний
Для испытаний были выбраны три контрастных материала: титановый сплав типа Вт 8 (?т=0.89 ГПа, ?в=0.95 ГПа), высокопрочная сталь типа 20Х2Н4А (?т=1.08 ГПа, ?в=1.15 ГПа) и низкоуглеродистая сталь типа Ст. 20 (?т=0.25 ГПа, ?в=0.41 ГПа). Основное различие данных материалов заключается в следующем: титановый сплав имеет высокую прочность и малую плотность, у высокопрочной стали высокая прочность и плотность, а низкоуглеродистая сталь обладает низкой прочностью и высокой плотностью.
Механические характеристики были получены при испытаниях на растяжение цилиндрических образцов с диаметром рабочей части 4 мм на стандартной испытательной машине ИР 5047-50 со скоростью 2·10-5 м/с. Твердость высокопрочной стали составляла 43 HRС, титанового сплава - 42 HRС.
Как уже отмечалось, наиболее склонны к образованию ПС материалы с низкой скоростью упрочнения, малым коэффициентом теплопроводности и высокой скоростью термического разупрочнения. Поэтому из выбранных материалов титановый сплав и высокопрочная сталь подпадают в категорию материалов, склонных к образованию ПС.
2.1.2. Описание методики испытаний на ударное сжатие
Схема испытаний на ударное сжатие (рис. 2.2) основана на разработках Института проблем прочности, апробированных и использованных ранее [63].
а)
б)
Рис. 2.2. Схема нагружения (а) и образец (б).
Методика является модификацией метода разрезного стержня Гопкинсона, в которой устранены нежелательные эффекты радиальной инерции, снято ограничение по прочности испытуемых материалов и расширен диапазон исследуемых скоростей деформации.
В данной работе методика была модифицирована: регистрацию сигнала датчика давления проводили с помощью цифрового осциллографа, что повысило надежность и точность регистрации сигнала.
Динамическое сжатие образца 6 в виде тонкой пластины (толщина 2 мм) с параллельными прорезями (рис.2.2, б) осуществляли с использованием газопневматической установки. Рабочая часть образца (узкие полосы металла между прорезями) деформируется между плоскими поверхностями плиты-ударника 2 и плиты-наковальни 3. Ударник, закрепленный на легком алюминиевом поддоне 1 (в виде стакана из алюминиевого сплава диаметром 90мм и длиной 60мм), разгоняется до з